数据驱动的高速公路基础设施智能化运营变革

　　摘要：针对高速公路数字化转型要求和运营管理业务协同高质量发展需求，本文基于采数-聚数-治数-用数的“四数”框架，研发构建了基础设施数字化成套技术和系统平台，通过在上海S32申嘉湖智慧高速公路的应用实践，搭建了公路基础数据库和数字治理系统，研发形成了数字孪生仿真应用交互平台，有效提升基础设施数字化和运营管理智能化水平。

　　关键字：高速公路、基础设施数字化、数字孪生应用

　　一、背景与意义

　　公路设施网是我国经济社会高质量发展和“重要窗口”建设的关键基础设施，据公开资料显示，“十四五”期间全国高速公路里程达到19.9万公里，国家综合立体交通网主骨架基本形成，基础设施全面进入运营管理期，管理模式从传统的增量建设转向存量优化[1]，充分利用数字化技术，实现高速公路通行效率、设施性能、出行安全和公众服务水平的提升。

　　近些年，国家部委陆续发布多项政策推动公路数字化转型，2023年9月交通运输部发布《关于推进公路数字化转型加快智慧公路建设发展的意见》、2024年5月交通运输部财政部联合发布《关于支持引导公路水路交通基础设施数字化转型升级的通知》，明确提出到2027年基本实现公路全生命期数字化转型[2]。

　　因此，为解决在役高速公路存在的设施设备资产底数、运行状态不清，多源异构数据汇聚交互效率不优，数据治理和质量管控效果不佳[3]，虚实推演与业务决策能力不足等问题，开展了高速公路基础设施数字化技术的研究与应用，旨在全面提升高速公路数字化、智能化水平，提高交通基础设施承载能力，落实公路数字化转型、智慧扩容等发展要求。

　　二、研究方法及框架

　　图1高速公路基础设施数字化技术研究路径

　　本项目基于采数-聚数-治数-用数的“四数”框架，研发构建了基础设施数字化成套技术和系统平台，形成了1套静动态数据采集算法集、2项数据入库标准、1套全周期数据治理和质量管控制度、1套数字孪生仿真应用平台，实现了道路设施、交通运行、结构病害的全要素静动态感知，海量异构数据的分级分类高效汇聚交互，数据全生命周期治理，多业务场景下的数字孪生交互和车道级交通运行态势的仿真评估智能研判，为全国公路“一套模型+一套数据”的全生命期数字化提供支撑，助力建成安全、便捷、高效、绿色、经济的实体公路和数字孪生公路两个体系。

　　三、创新技术研究

　　(1)高速公路基础设施全域静态要素数字化技术

　　融合三维激光、高清视频、惯性导航、倾斜摄影等多传感器，结合建设期CAD图纸、现场图像等多维数据，实现路侧设施设备、内部构件、绿化植被、中心机房等设施设备资产的高精度、全要素采集建模。

　　研发高适用低成本的多元融合实时动态数据感知算法，基于交通事件影响时空规则，充分利旧既有视频资源，实现交通异常事件精准检测和数据去重归并以及雷视自动联动二次检测校验，融合后事件检测效率提升90%，有效提升事件检测的可信度和准确度。

　　利用移动巡检终端、三维扫描车辆和固定摄像头的感知监测数据，研发融合领域知识的深度学习模型，实现了路面病害及沿线设施损伤的及时发现和智能识别，综合识别精度≥90%。

　　(2)海量数据分级分类高效汇聚与基础数据库建设技术

　　研创边缘-中心两层高可用数据汇聚框架，分级分类高效汇聚边缘处理后的高吞吐量、高并发实时动态数据和跨行业、跨层级业务系统交互数据，构建公路基础数据库，依托大数据实时计算引擎，对业务数据进行分类处理，形成主题数据，支撑业务应用。

　　(3)高速公路数据全生命周期治理技术

　　研创基于微服务、组件化的高速公路数据全周期治理系统，接入各类业务系统数据表，建立数据台账，构建规范性、完整性、准确性、一致性、时效性等多维质量管控指标体系，动态评估异常数据，实现数据资产、质量、共享、运维、安全全过程数据管理。

　　(4)大规模动静态数据实时叠加交互技术与数字孪生仿真应用平台

　　提出融合三维点云、实景高清图片、施工图纸等多源数据的道路特征高效识别纠偏及矢量数据制作方法，大大降低了道路边线、设施设备与实际道路的位置偏差，构建形成车道级亚米级高精度GIS地图服务。

　　基于微观在线仿真引擎，在历史数据参数标定后的基础上，面向事故、施工等突发应急场景，利用多断面雷达车辆级轨迹数据对事故影响下的交通特征预测、态势研判分析，支撑交通组织、管控策略的智能生成和推荐。

　　构建大规模动静态数据实时叠加交互的数字孪生平台，实现路段百米级、桥梁构件级单体化数万个三维场景模型和面向全业务场景的动态实时数据叠加及信息交互，达到实时感知与虚拟空间映射，动态数据叠加及交互时延100ms。

　　四、实践应用成效

　　高速公路基础设施数字化成套技术和系统平台在上海首条“全要素感知、全时空管控、全链条服务、全智慧监管”智慧公路-S32申嘉湖智慧高速试点工程中全面落地应用。该项目作为“优秀”验收通过的交通运输部在役干线公路基础设施与安全应急数字化试点项目，以标准先行为导向，数字化采集技术为基础，搭建了公路基础数据库和数字治理系统，研发形成了数字孪生仿真应用交互平台，有效提升基础设施数字化水平。

　　在数字化标准建设方面，S32申嘉湖智慧高速项目建立了统一的道路设施设备分类及编码规则，同时面向业务梳理明确各类设施设备动静态数据入库字段、字段结构、数据表等内容，编制形成《上海市公路设施编码规则、分类与编码标准》和《上海市公路设施管理数据字典》并在行业发布推广。同时基于申嘉湖智慧高速项目的建设经验，支撑上海市地方标准《智慧高速公路建设技术规范》的编制和发布。

　　在基础设施静动态数据采集方面，项目基于三维激光点云扫描，完成了全线83.5km道路基础数据的采集，利用定焦、既有云台视频、毫米波雷达、激光雷达等多种感知设备采集了交通流、轨迹、事件等交通数据，交通流和交通异常事件的感知精度≥95%，利用移动式车载终端、固定式云台摄像机、预埋式传感器采集了路面病害、桥梁健康状态等设施动态数据，路面病害综合识别精度达到90%以上，实现了对S32全域人-车-路-环-物-事全要素精细化感知。

　　在数据库建设和数据治理方面，项目采用主从数据库的方式，按照数据字典要求，进行生产和标准数据表建设，通过数据接口接入各类设备采集和配置数据，利用数据平台中kafka实时写入动态高频雷达轨迹等数据，从业务系统中写入各类流程数据，基础设施基础信息则通过人工导入，同时还与上海市交通委、收费系统、治超系统、气象系统等7个外部系统进行数据共享交互。针对海量基础数据建立数据治理系统，形成一套全生命周期数据治理制度，对数据资产、质量、运维、共享、安全等方面进行统筹管理，有效支撑数字孪生、运营管理业务应用。

　　在数字孪生应用方面，项目基于上海2000坐标系，建立了车道级亚米级高精度定位，在此基础上，按照路段百米级、桥梁构件级的要求，对全线4座大桥，8个收费站、2个服务区、8座互通立交和机电设施设备单体化建模和编码绑定，同时，叠加交通流、交通事件、设施病害等动态数据，并实现与业务流程关联，开展了全局可视化、公路资产管理、道路病害识别、道路施工养护、桥梁健康监测、交通运行态势、动态数字交通流、智慧服务区、应急事件管理、车道动态控制、重点车辆监管、仿真辅助决策等10余个业务交互孪生场景建设。

　　五、结束语

　　通过高速公路基础设施数字化成套技术和系统平台在S32申嘉湖智慧高速的全面应用，实现了道路全域95%设施设备的数字化资产入库和统筹管理，对业务流程进行了数字化重构，建立了数字化运营管理机制，能够积极发挥示范产业化效应，促进上海市高速公路运营管理的智能化升级，推动长三角智慧交通一体化高质量协同发展，实现高速公路业务效能提升和管理模式变革，提升高速公路管理数字化、智能化、协同化水平。

　　参考文献

　　[1]杨源,张凡,张纪升.高速公路高精度数字底座构建及应用探讨[J].中国交通信息化, 2023(10):34-38.

　　[2]张立宪,杨艳霞,李永波,等.公路基础设施数字化应用分析[J].中国交通信息化, 2024(S01):58-61.

　　[3]王建伟、高超、董是、徐晟、袁长伟、张驰、黄泽滨、卜杉杉、常青、王越.道路基础设施数字化研究进展与展望[J].中国公路学报, 2020, 33(11):24.

　　作者信息

姓名	单位	作者简介
华汉愔	上海城投环城高速建设发展有限公司	从事高速公路运营养护管理工作，参与S32申嘉湖智慧高速公路试点工程、外环隧道大修工程等基础设施数字化项目。
张智杰	上海城投环城高速建设发展有限公司	从事高速公路运营养护管理工作，参与S32申嘉湖智慧高速公路试点工程、外环隧道大修工程等基础设施数字化项目。
严敏	上海电科智能系统股份有限公司	从事公路数字底座、AI+智慧公路（智慧隧道）关键技术研究及业务场景智能体应用